Ультратонкие пленки из мультиферроиков могут стать основой энергоэффективных чипов для искусственного интеллекта

Инженеры надеются, что мультиферроики помогут снизить энергозатраты, связанные с развитием искусственного интеллекта, но существует проблема, известная как эффект «мёртвого слоя»: когда эти материалы становятся достаточно тонкими, чтобы их можно было использовать в компьютерных чипах, они теряют электрические и магнитные свойства, которые делают их такими интересными.

Группа исследователей из Университета Брауна разработала метод создания тонких пленок мультиферроидного феррита висмута, которые сохраняют свои ключевые свойства и приобретают новые, что делает их еще более полезными.

Интерес к мультиферроидным материалам обусловлен их взаимосвязанными электрическими и магнитными свойствами. Каждая элементарная ячейка атомной решетки материала электрически поляризована, то есть положительные и отрицательные заряды располагаются на противоположных сторонах ячейки. Эту электрическую поляризацию можно изменить, то есть поменять местами положительные и отрицательные заряды, подав на ячейку небольшое напряжение. Это означает, что можно кодировать двоичные данные (единицы и нули), манипулируя состояниями поляризации, что можно делать с помощью импульсов напряжения малой мощности.

А поскольку магнитные состояния материала связаны с электрическими состояниями, данные можно считывать с помощью магнита, создавая сверхмаломощное запоминающее или логическое устройство.

Однако исторически сложилось так, что проблема «мертвого слоя» была непреодолимым препятствием. Чтобы мультиферроидный материал можно было интегрировать в компьютерный чип, его нужно сделать очень тонким. Но при малой толщине возникают две проблемы: атомная решетка материала теряет физическую форму и химические свойства, необходимые для функционирования, а внутренние электрические поля подавляют электрическую поляризацию. В совокупности эти два нарушения приводят к тому, что материал полностью теряет свои сегнетоэлектрические и магнитные свойства, образуя так называемый мертвый слой.

Решение, предложенное исследователями из Брауна, — это новый способ изготовления феррита висмута, широко изучаемого мультиферроика. Исследователи вырастили пленку феррита висмута на подложке из скандата диспрозия — материала на основе редкоземельных элементов с кристаллической структурой, которая уже, чем у феррита висмута. Такое несоответствие решеток создает деформацию сжатия в феррите висмута, что помогает сохранить его функциональную структуру атомной решетки.

В то же время второй металлический слой помогает поглощать блуждающие электрические поля, что поддерживает электрическую поляризацию в слое феррита висмута. В результате получается пленка из феррита висмута, которая не только сохраняет свои функциональные мультиферроидные свойства, но и обладает улучшенными магнитными свойствами.

Исследователи показали, что многослойная структура превращает слой феррита висмута в альтермагнет — своего рода гибрид ферромагнетика и антиферромагнетика.

Исследователи считают,  что полученные результаты станут шагом к использованию мультиферроиков в качестве компонентов для маломощных вычислительных систем.